CN114274505B - 一种三明治板熔融沉积打印支撑结构生成方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三明治板熔融沉积打印支撑结构生成方法及系统，涉及增材制造领域，包括：获取标零件板面的多组等距路径轮廓信息，计算路径轮廓离散曲率；基于路径轮廓离散曲率与最大支撑间距的对应关系，通过分段处理得到最外层路径的离散支撑点；通过最外层路径的离散支撑点沿梯度方向向内层路径收缩，得到整个目标零件板面的支撑点集合；根据支撑点集合，利用水平集方法生成支撑结构STL模型。本发明能够得到使用支撑材料较少且满足较高形状精度要求的支撑结构，以减少打印成本。

Description

一种三明治板熔融沉积打印支撑结构生成方法及系统

技术领域

本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种三明治板熔融沉积打印支撑结构生成方法及系统。

背景技术

传统的三明治板制造工艺存在生产效率低、工序繁杂、材料浪费严重等问题，以熔融沉积技术为代表的3D打印技术与三明治板制备工艺结合，可以制造几何形状复杂的三明治板结构，并有效提高材料利用率，因此逐渐替代传统工艺。

熔融沉积技术制备三明治板多使用水溶性材料作为支撑结构的打印材料，以便于支撑结构的无损去除，由于水溶性材料成本较高，在保证成型精度的同时应尽量减小支撑结构体积。目前，常见的支撑生成方法多针对三维几何结构，对于三明治板类平面结构的支撑设计研究较少、且没有考虑打印铺丝路径对支撑点分布的影响，导致达到形状精度要求所需的支撑材料使用冗余，增加了打印成本。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种三明治板熔融沉积打印支撑结构生成方法及系统，能够得到使用支撑材料较少且满足较高形状精度要求的支撑结构，以减少打印成本。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种三明治板熔融沉积打印支撑结构生成方法，包括：

获取目标零件板面的多组等距路径轮廓信息，计算路径轮廓离散曲率；

基于路径轮廓离散曲率与最大支撑间距的对应关系，通过分段处理得到最外层路径的离散支撑点；

通过最外层路径的离散支撑点沿梯度方向向内层路径收缩，得到整个目标零件板面的支撑点集合；

根据支撑点集合，利用水平集方法生成支撑结构STL模型。

作为进一步的实现方式，以路径轮廓中曲率正负变化点和大曲率点作为分段点，对最外层路径轮廓进行分段，根据各段平均曲率确定的间距得到最外层路径的离散支撑点。

作为进一步的实现方式，根据直线段曲率正负频繁变化的特点识别路径轮廓中的直线段，将直线段曲率设为0，并重新搜索分段点。

作为进一步的实现方式，通过最外层支撑点收缩，搜索出内层路径点中与其梯度方向夹角最小的点作为内层路径的支撑点；并根据设定条件更新支撑点集。

作为进一步的实现方式，根据支撑点集合生成零水平集轮廓，基于零水平集轮廓通过沿板面法线方向的拉伸生成支撑结构的STL模型。

作为进一步的实现方式，利用水平集方法得到距离任一支撑点设定距离的等值轮廓，基于并集布尔运算，合并全部圆形轮廓，并沿板外法线方向拉伸。

作为进一步的实现方式，将三明治板STL模型与支撑结构STL模型进行布尔处理，得到供切片使用的支撑结构模型。

作为进一步的实现方式，通过水平集方法构造符号距离场，得到构成板面的多组等距路径轮廓。

作为进一步的实现方式，基于水平集方法计算路径轮廓离散曲率。

第二方面，本发明的实施例还提供了一种三明治板熔融沉积打印支撑结构生成系统，包括：

路径轮廓离散曲率计算模块，用于获取目标零件板面的多组等距路径轮廓信息，计算路径轮廓离散曲率；

离散支撑点获取模块，用于基于路径轮廓离散曲率与最大支撑间距的对应关系，通过分段处理得到最外层路径的离散支撑点；

支撑点集合获取模块，用于通过最外层路径的离散支撑点沿梯度方向向内层路径收缩，得到整个目标零件板面的支撑点集合；

支撑结构STL模型生成模块，用于根据支撑点集合，利用水平集方法生成支撑结构STL模型。

本发明的有益效果如下：

1)本发明考虑了打印铺丝路径对支撑点分布的影响，即基于打印铺丝路径曲率及其关联的最大支撑跨距数据，针对同心圆型填充路径的自由形状板面，实现精益化搜索最小数量的支撑点，改善了现有支撑点搜索算法在处理平板类零件时因欠缺考虑打印铺丝路径对支撑点分布影响而造成的支撑点冗余问题。

2)本发明利用水平集方法及布尔处理实现了支撑结构三维模型的生成，形成了通用于常规切片软件的双材料熔融沉积三明治板打印工艺，支撑材料使用较少，弥补了现有三明治板双材料熔融沉积打印工艺支撑较多、形状精度较差的不足。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明根据一个或多个实施方式的流程图；

图2(a)为本发明根据一个或多个实施方式的目标零件示意图；

图2(b)为本发明根据一个或多个实施方式的目标零件顶板板面打印铺丝路径示意图；

图3为本发明根据一个或多个实施方式的分段种类示意图；

图4为本发明根据一个或多个实施方式的直线段判定规则示意图；

图5为本发明根据一个或多个实施方式的路径曲率与支撑点间距关系示意图；

图6(a)为本发明根据一个或多个实施方式的支撑点收缩方式示意图；

图6(b)为本发明根据一个或多个实施方式的支撑点收缩过程示意图；

图6(c)为本发明根据一个或多个实施方式的支撑点补点示意图；

图7(a)为本发明根据一个或多个实施方式的支撑点搜索结果示意图；

图7(b)为本发明根据一个或多个实施方式的支撑结构投影示意图；

图7(c)为本发明根据一个或多个实施方式的支撑结构模型示意图；

图7(d)为本发明根据一个或多个实施方式的布尔处理后支撑结构模型示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例提供了一种三明治板熔融沉积打印支撑结构生成方法，包括：

获取目标零件板面的多组等距路径轮廓信息，计算路径轮廓离散曲率；

基于路径轮廓离散曲率与最大支撑间距的对应关系，通过分段处理得到最外层路径的离散支撑点；

通过最外层路径的离散支撑点沿梯度方向向内层路径收缩，得到整个目标零件板面的支撑点集合；

根据支撑点集合，利用水平集方法生成支撑结构STL模型。

具体的，如图1所示，主要包括目标零件预处理、搜索最外层支撑点、最外层支撑点收缩、生成支撑模型四部分。

三明治板模型如图2(a)所示，由于三明治板结构在打印过程中仅顶板需要添加支撑，因此本实施例以顶板填充路径为例进行详细说明：

步骤一，如图2(b)所示，由水平集方法得到构成整个目标零件板面的多组等距路径轮廓，即P＝{P₁，P₂，...，P_L}，其中P₁为最外层轮廓，每个路径轮廓又由N个顶点组成，即P_i＝{p_i1，p_i2，...，p_iN}，并求得各点的离散曲率k。

步骤二，如图3所示，以路径中曲率正负变化点和大曲率点作为分段点，对最外层路径轮廓P₁进行分段，并计算出每段的平均曲率。

具体地，首先找出P₁中满足k(p_1q)＞k_g的点储存到分段点列表中，以防止搜索支撑点时漏去两段直线中的拐角点。其中k(p_1q)为离散点p_1q的曲率，k_g为判定大曲率点的阈值。

进一步，找出P1中曲率符号变化点

满足：

式(1)中，

表示

均符号，有1、-1和0三种可能取值，其具体计算公式如下：

式(2)中，

表示离散点

的曲率。

进一步，根据直线段曲率正负频繁变化这一特点识别出路径中的直线段，如图4所示，连续的符号变化点

至

满足：

则将点

至

判定为直线段，式(3)中，dif为判定变化段的阈值，con为判定连续变化段的阈值。

进一步，将直线段内的点曲率赋值为0，重新找出曲率符号变化点储存到分段点列表中，完成对分段点的搜索，将列表中收集的分段点按顺序排列，完成对P₁的分段。

步骤三，将分段后的路径视为由多段恒曲率曲线段构成，根据铺丝路径曲率与最大支撑间距的对应关系，在每段恒曲率曲线段上确定支撑点，得到P1上的支撑点集S₁，每条轮廓的支撑点集由M个顶点组成，即S_i＝{s_i1，s_i2，...，s_iM}。其中铺丝路径曲率与最大支撑距离的对应关系如图5所示，通过实验测得。

步骤四，将S₁沿梯度方向向内层路径收缩，如图6(a)所示，得到所有路径的支撑点。

具体地，每次收缩在P_i+1的离散点中找出与S_i梯度方向夹角最小的点构成S_i+1，在此过程中，如图6(b)所示，距离过近或重合的点进行合并；距离过远的点间进行补充，补充过程如图6(c)所示；设支撑点s_ij、s_ij+1分别对应路径点p_im、p_in，补充过程满足：

式(4)和式(5)中，支撑点s_ij、s_ij+1分别对应路径点p_im、p_in，d(s_ij，s_ij+1)表示支撑点s_ij与支撑点s_ij+1间的距离，g(k(p_im，p_in))表示由点p_im至点p_in的平均曲率确定的最大支撑间距。

步骤五，如图7(a)-7(b)所示，针对S₁～S_L中的任一支撑点，利用水平集方法得到距离该点0.4mm的等值轮廓，基于并集布尔运算，合并全部圆形轮廓，并沿板外法线方向拉伸形成如图7(c)所示的支撑结构的STL模型。

在本实施例中，如图7(b)所示的支撑结构轮廓，其支撑投影面积占比12％。

步骤六，将三明治板STL模型及支撑结构STL模型进行布尔处理，得到布尔处理后的支撑模型，通过在熔融沉积打印设备上完成三明治板结构的双材料打印。

在本实施例中，利用Materialise Magics软件进行三明治板STL模型及支撑结构STL模型间的布尔操作，采用RAISE3D Pro2熔融沉积3D打印机进行打印操作。

实施例二：

本实施例提供了一种三明治板熔融沉积打印支撑结构生成系统，包括：

路径轮廓离散曲率计算模块，用于获取目标零件板面的多组等距路径轮廓信息，计算路径轮廓离散曲率；

离散支撑点获取模块，用于基于路径轮廓离散曲率与最大支撑间距的对应关系，通过分段处理得到最外层路径的离散支撑点；

支撑点集合获取模块，用于通过最外层路径的离散支撑点沿梯度方向向内层路径收缩，得到整个目标零件板面的支撑点集合；

支撑结构STL模型生成模块，用于根据支撑点集合，利用水平集方法生成支撑结构STL模型。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三明治板熔融沉积打印支撑结构生成方法，其特征在于，包括：

获取目标零件板面的多组等距路径轮廓信息，计算路径轮廓离散曲率；

基于路径轮廓离散曲率与最大支撑间距的对应关系，通过分段处理得到最外层路径的离散支撑点；

以路径轮廓中曲率正负变化点和大曲率点作为分段点，对最外层路径轮廓进行分段，根据各段平均曲率确定的间距得到最外层路径的离散支撑点；

通过最外层路径的离散支撑点沿梯度方向向内层路径收缩，得到整个目标零件板面的支撑点集合；

通过最外层支撑点收缩，搜索出内层路径点中与其梯度方向夹角最小的点作为内层路径的支撑点；并根据设定条件更新支撑点集；

根据支撑点集合，利用水平集方法生成支撑结构STL模型。

2.根据权利要求1所述的一种三明治板熔融沉积打印支撑结构生成方法，其特征在于，根据直线段曲率正负频繁变化的特点识别路径轮廓中的直线段，将直线段曲率设为0，并重新搜索分段点。

3.根据权利要求1所述的一种三明治板熔融沉积打印支撑结构生成方法，其特征在于，根据支撑点集合生成零水平集轮廓，基于零水平集轮廓通过沿板面法线方向的拉伸生成支撑结构的STL模型。

4.根据权利要求3所述的一种三明治板熔融沉积打印支撑结构生成方法，其特征在于，利用水平集方法得到距离任一支撑点设定距离的等值轮廓，基于并集布尔运算，合并全部圆形轮廓，并沿板外法线方向拉伸。

5.根据权利要求1或3所述的一种三明治板熔融沉积打印支撑结构生成方法，其特征在于，将三明治板STL模型与支撑结构STL模型进行布尔处理，得到供切片使用的支撑结构模型。

6.根据权利要求1所述的一种三明治板熔融沉积打印支撑结构生成方法，其特征在于，通过水平集方法构造符号距离场，得到构成板面的多组等距路径轮廓。

7.根据权利要求1所述的一种三明治板熔融沉积打印支撑结构生成方法，其特征在于，基于水平集方法计算路径轮廓离散曲率。

8.一种三明治板熔融沉积打印支撑结构生成系统，其特征在于，包括：

路径轮廓离散曲率计算模块，用于获取目标零件板面的多组等距路径轮廓信息，计算路径轮廓离散曲率；

离散支撑点获取模块，用于基于路径轮廓离散曲率与最大支撑间距的对应关系，通过分段处理得到最外层路径的离散支撑点；

以路径轮廓中曲率正负变化点和大曲率点作为分段点，对最外层路径轮廓进行分段，根据各段平均曲率确定的间距得到最外层路径的离散支撑点；

支撑点集合获取模块，用于通过最外层路径的离散支撑点沿梯度方向向内层路径收缩，得到整个目标零件板面的支撑点集合；

通过最外层支撑点收缩，搜索出内层路径点中与其梯度方向夹角最小的点作为内层路径的支撑点；并根据设定条件更新支撑点集；

支撑结构STL模型生成模块，用于根据支撑点集合，利用水平集方法生成支撑结构STL模型。

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